차세대 배터리 ‘전고체 전지’… 핵심 설계전략 찾았다


KIST 연구팀, 전해질-전극 계면저항’ 분석 플랫폼 구축

[아이뉴스24 정종오 기자] 차세대 배터리로 전고체 전지가 관심을 끌고 있다. 문제는 고체 전해질의 낮은 이온전도도와 높은 계면 저항·열화가 전지 성능과 수명을 떨어뜨려 상용화의 기술적 난관이 되고 있다는 점이다.

전고체 전지(All Solid State Battery)는 기존 리튬 배터리의 불안정성과 낮은 용량을 동시에 해결할 수 있는 차세대 배터리이다. 양극과 전해질이 모두 불연성 고체라 온도변화나 외부충격에 따른 화재나 폭발 위험성이 낮다. 에너지 밀도는 리튬 배터리의 2배에 달해 전기차와 에너지저장 장치 시장의 게임체인저가 될 것으로 기대를 모으고 있다.

[KIST]

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 에너지소재연구단 박상백 박사 연구팀이 성균관대 신현정 교수 연구팀과 공동연구를 통해 전고체 배터리 상용화의 걸림돌인 고체 전해질과 양극 사이의 계면 저항이 증가하는 문제를 막을 수 있는 소재 설계전략을 개발했다.

서로 다른 두 물질이 만나는 계면에서는 독특한 물리적 현상이 발생한다. 물질 내부의 원자들이 주변의 다른 원자들과 손을 맞잡고 안정적 결합을 하는 것과 달리 바깥쪽의 원자는 한쪽이 비어 있어 계면의 원자들은 내부와 다른 원자 배열을 할 가능성이 크기 때문이다.

고체 전극-고체 전해질의 계면을 갖는 전고체 배터리의 경우, 제한적 전하이동과 함께 원자 배열이 흐트러지는 현상이 발생해 저항과 열화를 일으킨다. 이를 해결하기 위해 주로 연구되고 있는 방법은 양극과 전해질 표면에 다른 소재를 코팅하거나 중간층을 삽입하는 방법이다. 이는 추가 비용 상승과 함께 전지 전체의 활성과 에너지 밀도를 떨어트린다.

KIST-성균관대 공동연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 먼저 고체 계면에 직접적 영향을 미치는 소재의 결정구조부터 체계적으로 확인했다. 그 결과 원자 내의 결정 표면이 빽빽하게 구성된 경우에 양극 소재 내에 있어야 하는 전이 금속이 전해질로 새어 나가는 현상이 억제돼 전고체 전지의 안정성을 개선할 수 있음을 확인했다.

결정들의 경계면이 전자의 이동 방향과 평행하게 배열된 경우 결정을 따라 이동하는 이온과 전자가 이동에 방해를 받지 않아 저항이 줄고 출력은 높아지는 특성을 확인했다.

박상백 KIST 박사는 “결정 표면의 밀집도를 높이고, 결정들의 경계면의 방향을 조절하면 양극 소재 자체 개선으로 높은 성능과 안정성을 확보할 수 있음을 의미한다”라며 “전고체 전지 성능 저하의 메커니즘을 규명한 이번 연구를 바탕으로 앞으로 고체 전해질과 양극 고체 계면의 불안정성을 극복하고 높은 이온-전하 교환특성을 제공하는 전고체 전지 소재 개발에 더욱 박차를 가할 계획”이라고 말했다.

연구결과는 에너지 나노 분야 국제학술지인 ‘Nano energy’ 최신 호(논문명: Nano-interface engineering in all-solid-state lithium metal batteries: Tailoring exposed crystal facets of epitaxially grown LiNi0.5Mn1.5O4 films)에 실렸다.

세종=정종오 기자 ikokid@inews24.com





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